■大東樹脂化學股份有限公司 研發中心 / 蘇培鈞 主任
前言
近年來為因應氣候變遷、環境汙染等環保議題，各國皆提出「2050淨零排放」的宣示與行動，ESG成為企業永續發展的重要指標，透過打造具競爭力、循環永續、韌性安全之各項轉型策略，除了達到產業鏈在CO2的減排目標，並且強化資源的管理及持續再利用等路徑，以留給下一代永續的生活環境，而在這些策略的解決方案中，材料扮演著關鍵的角色。
之前研究報告曾指出交通工具是最主要的CO2排放來源，但無論是燃油車或電動車，除了在使用期間的碳排控制之外，從產品的最初設計、材料選用、製程&加工等過程，以及一直到最終報廢後的處理，都必須做好對於碳排的評估&管理，才能真正降低對環境的衝擊，因此可以看到相關產業在材料端皆先朝向「可輕量化」與「可回收」的低碳目標進行發展。
其中就材料的選擇上，鋼材的比重為7.8，鋁合金約2.7，而纖維強化複合材料則低於2.0，雖然纖維複材在直接強度上不如金屬，但因具備質輕、高剛性、高強度等特性，從性能/價格/加工的比值來看，應用上已逐漸取代部份金屬材料。而相較於傳統的熱固性樹脂，熱塑性的複材則另有容易加工、成型週期短、材料韌性高、樹脂選擇多樣、無存放限制等優點，最重要的是可以回收再利用，更能符合產品在節能減碳的要求。
可輕量化&可回收材料的研究發展
熱塑性複合材料多使用纖維（如玻纖）作為增強材，依纖維長度區分有「短纖」、「長纖」及「連續纖維」的類別，纖維長度愈長，相對製品的強度就愈佳，市場常見的以「短纖」規格為主，一般是用押出機將樹脂熔融後，同時與纖維混煉造粒成短纖料粒，粒子內部纖維的長度在剪切作用後約<1mm，當材料在經過下一次的成型加工或回收再製時，纖維又會再受到機械力破碎，因此製品內的纖維保留長度往往是低於有效的臨界長度，造成增強效果有限，因此如何提高纖維的保留長度，是纖維複合材料能夠發揮最佳性能與拓展應用領域之關鍵所在。
長纖維增強熱塑性複合材料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，簡稱LFRT或LFT），係將連續纖維以熔融樹脂浸潤包覆成膠條，再切成特定尺寸的長棍狀膠粒(6~25 mm)，膠粒內的纖維長度等同於粒子長度，因能展現出比一般短纖更剛強的性能。以業界常用的PP玻纖增強複合材料為例，分別比較短纖(SGF)與長纖(LGF)在不同纖維比例下(20%、30%、40%、50%)的強度性能如（圖1~3）所示，由於LFRT內部的玻纖實質長度較長，所以纖維之間能相互搭接形成三維網狀結構，可以承受較大的應力和荷載，並有效吸收能量，即使在低溫下依然能保有一定強度，進而讓製品具有高比強度、高剛性、高耐衝擊、高尺寸穩定性、抗蠕變性、低熱膨脹係數等優點。與金屬和熱固性複材相比，採用LFRT製作相同部件可減重10~50%，且設計自由度更高，而在模具成本及能耗上則比金屬材料減少20~60%，適合應用於大型結構部件或模組如車用支架、門板模組、工業扇葉、手工具殼件、機電泵體等領域。
雖然LFRT的纖維實質長度較長，但在射出成型過程中，材料經由螺桿、射嘴、流道&模穴等路徑，加上操作參數的設定（如轉速、背壓），仍會對纖維造成不同程度的減損，因而最終製品的性能表現上有時不如預期；例如（圖4）實驗所示，以長度5mm、8mm、12mm的LFRT粒子分別在不同射出螺桿及轉速條件下製作試片，並量測試片內的纖維保留長度做比較，從（圖5）數據中可以看到LFRT在不同成型參數下所導致的性能之差異，從初步的實驗結果可知，要讓LFRT的性能能夠展現出來，對於成型過程的設計與參數控制才是重要關鍵。
對此，台灣有多位知名研究學者包括成功大學-黃聖杰教授、淡江大學-黃招財教授、逢甲大學-彭信舒教授等實驗室，曾針對LFRT的成型製程進行深入研究，並已發表多篇論文於海內外的重要期刊上，在論文中有提及LFRT的性能取決纖維的長度、配向與比例等因素，其中纖維長度的影響為最主要，如何保持纖維的完整性，並達到緻密且均勻的纖維配向是提高LFRT性能的核心關鍵；從論文的研究結果顯示，對於射出機及模具的設計優化，選擇適當的成型參數，確實能夠大幅提高纖維的保留長度。
另外，上述研究團隊也利用非破壞性的斷層掃描設備，快速地解析出製品內部的纖維配向及分佈狀況，並同步與Moldex3D軟體的模擬結果進行相互驗證，有效提高模擬的精準度。
總結而言，學界的多項研究成果有助於相關產業在材料製造、產品設計、模擬分析、成型加工、產品檢驗方面的改善及優化，透由產學研的交流合作，便能快速提升企業的市場競爭力。
註：所列圖表及數據為大東樹脂化學公司內部之實驗結果，內容僅供參考。
